新方法可同时精确测量粒子位置和动量

科技日报记者 张佳欣

澳大利亚和英国科学家团队提出一种新方法，可以同时精确测量粒子的位置和动量，重塑了量子不确定性，为未来超精密传感技术奠定了基础。新方法的应用领域包括导航、医学和天文学。相关研究成果发表在最新一期《科学进展》杂志上。

海森堡不确定性原理是量子力学的核心原则之一，由德国物理学家海森堡于1927年提出。该原理指出，某些物理量的成对属性，如粒子的位置和动量，无法同时被精确测量，即对一个属性测得越精确，另一个属性的不确定性就越大。

实验中，团队把不可避免的量子不确定性推到不关注的部分（比如位置和动量的粗略大幅跳动），从而测量真正关注的微小变化。

团队用钟表作比喻来解释他们的发现：只有时针的钟表能粗略读出分钟，但具体时刻不准；只有分针的钟表能精确读分钟，却无法判断小时。同理，他们通过牺牲部分全局信息，将量子测量的精度集中在微小变化上，实现了对粒子位置和动量的同时高精度测量。这种测量理念就是“模运算”。

团队利用先前为量子纠错计算机开发的技术，首次在实验中验证了这一策略。他们将囚禁离子制备为“网格态”，即量子计算中用于纠错的特殊量子态，通过测量离子的微小振动，实现位置和动量的联合测量，精度超过传统经典传感器的“标准量子极限”。

这是量子计算技术向传感技术的巧妙转化，让传感器在量子噪声干扰下也能捕捉微弱信号。团队表示，这种测量仍处于实验室阶段，但为未来量子传感技术提供了新框架，既可与现有方法互补，也可能催生全新的应用领域。正如原子钟曾彻底改变导航与电信，极端灵敏的量子增强传感器也可能开辟全新的产业。